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溴化锂机组蒸发器的传热分析

作者:    发布于:2016-1-28 11:08:25    文字:【】【】【

溴化锂吸收式制冷机是一种利用热能为驱动源的制冷机,它耗电量小、可利用低品位热能、可减少对大气臭氧层的破坏,在建筑节能领域及环保领域备受大家关注。然而它的性能系数较低,因此提高其性能是大家不懈努力的方向。 蒸发器和吸收器是溴化锂吸收式制冷机的重要部分,它们决定了机组的结构和性能。目前,降膜蒸发器的换热管表面结构和管束布局等不是非常的明确,虽然前人对横管外降膜蒸发传热进行了大量的实验研究和理论分析,但是,由于实验条件和理论模拟假设不同,他们所得出的结论有所差异,而降膜吸收器的传热、传质系数偏低、吸收器的尺寸偏大,所以开展这方面的研究工作很有必要。首先,从物理现象上分析了制冷剂水横管降膜蒸发过程以及溴化锂溶液横管降膜吸收过程的物理模型,并且对其流动、传热和传质进行理论分析,得到一系列计算公式,分析得出液膜内流体流速、液膜厚度、温度边界层厚度、局部换热系数、浓度边界层厚度和质量传递系数随θ角(管壁上某点处的半径与垂直方向直径的夹角)以及布液管流速的变化规律。此外还得出,降膜横管的换热、传质性能是随着布液管流速的增大而逐渐增强。但是并不是布液管流速越大越好,因为随着布液管流速的逐渐增加,降膜横管的换热、传质性能的增加率是逐渐减小。 其次,利用FLUENT软件对制冷剂水横管降膜蒸发过程的模型进行数值计算分析,得出:叉排管束相对于顺排管束可以得到更好的传热性能;采用带有空化作用的多相流Mixture模型能得到比较满意的模拟结果。 最后,提出了一种增强表面粗糙度的强化换热管模型,进而利用FLUENT软件对溴化锂溶液在光管和增强表面粗糙度的强化换热管外表面横管降膜吸收过程的模型进行数值计算分析,对比模拟结果得出:增强表面粗糙度的强化换热管的换热效果要比光管好,而且该增强表面粗糙度的强化换热管操作简单方便,可以用于实际应用当中
蒸发器的传热分析
    在蒸发器中,被冷却介质的热量是通过传热壁传给制冷剂,使液体制冷剂吸热汽化。制冷剂在蒸发器中发生的物态变化
,实际上是沸腾过程,习惯上称其为蒸发。蒸发器内的传热效果也象冷凝器二样,受到制冷剂侧的换热系数、传热表面污垢物的热阻及被冷却介质侧的换热系数等因素的影响。其中后两种因素的影响基本上与冷凝器的情况相同,但制冷剂侧液体换热系数与气体凝结时的换热系数却有着本质上的差别。制冷装置蒸发器内传热温差不大,因此制冷剂液体的沸腾总处于泡状沸腾。沸腾时在传热表面产生许多气泡,这些气泡逐渐变大、脱离表面并在液体中上升。它们上升后,在该处又连续产生一个个的气泡。沸腾换热系数与气泡的大小、气泡的速度等因素有关。这里主要分析影响制冷剂液体沸
腾换热的因素。
  1.制冷剂液体物理性质的影响
    制冷剂液体的热导率、密度、粘度和表面张力等有关物理性质,对沸腾换热系数有直接的影响。
    热导率较大的制冷剂,在传热方向的热阻就小,其沸腾换热系数就大。
    蒸发器在正常工作条件下,蒸发器内制冷剂与传热壁面的温差,一般仅有2~5℃,其对流换热的强烈程度,取决于制
冷剂液体在汽化过程中的对流运动程度。沸腾过程中,气泡在液体内部的运动,使液体受到扰动,这就增加了液体各部分与传热壁面接触的可能性,使液体从传热壁面吸热更为容易,沸腾过程更为迅速。密度和粘度较小的制冷剂液体,受
到这种扰动就较强,其对流换热系数就越大。
    制冷剂液体的密度及表面张力越大,汽化过程中气泡的直径就较大,气泡从生成到离开传热壁面的时间就越长,单位
时间内产生的气泡就少,换热系数也就小。,
    一般来说,氟利昂的热导率比氨的小,密度、粘度和表面张力都比氨的大,因此其沸腾换热系数比氨的小。
    2.制冷剂液体润湿能力的影响
    如果制冷剂液体对传热表面的润湿能力强,则沸腾过程中生成的气泡具有细小的根部,能够迅速地脱离传热表面,换
热系数也就较大。相反,若制冷剂液体不能很好地润湿传热表面,则形成的气泡根部很大,减少了汽化核心的数目,甚
至沿传热表面形成气膜,使换热系数显著降低。
    常用的几种制冷剂均为润湿性的液体,但氨的润湿能力要比氟利昂的强得多。
    3.制冷剂沸腾温度的影响 
    制冷剂液体沸腾过程中,蒸发器传热壁面上单位时间生成的气泡数目越多,则沸腾换热系数越大。单位时间内生成的
气泡数目,与气泡生成到离开传热壁面的时间长短有关,这个时间越短,则单位时间内生成气泡数目越多。此外,如果气泡离开壁面时的直径越小,则气泡从生成到离开的时间将越短。气泡离开壁面时,其直径的大小是由气泡的浮力及液体表面张力的平衡来决定的。浮力促使气泡离开壁面,而液体表面张力则阻止气泡离开。气泡的浮力和液体表面张力,又受饱和温度下密度差(液体和蒸气的密度差)的影响。气泡的浮力和密度差成正比。液体的表面张力与密度差的四次方成正比。所以,随着密度差的增大,液体表面张力的增大速度,比气泡浮力的增大速度大得多,这时气泡只能依靠体积的膨胀来维持平衡,因此气泡离开壁面时的直径就大。密度差的大小与沸腾温度有关,沸腾温度越高,饱和温度下的
密度差越小,汽化过程就会更迅速,换热系数就更大。
    上面说明了在同一个蒸发器中,使用同一种制冷剂时,其换热系数随着沸腾温度的升高而增大。
    4.蒸发器构造的影响
    液体沸腾过程中,气泡只能在传热表面上产生,蒸发器的有效传热面是与制冷剂液体相接触的部分。所以,沸腾换热
系数的大小与蒸发器的构造有关。实验结果表明,肋片管上的沸腾换热系数大于光管,而且管束上的大于单管的。这是由于加肋片以后,在饱和温度与单位面积热负荷相同的条件下,气泡生成与增长的条件,肋片管比光管有利。由于汽化核心数的增加和气泡增大速度的降低,使得气泡很容易脱离传热壁面。实验结果还表明,肋片管束的沸腾换热系数大于光管管束的。有资料介绍,在相同的饱和温度下,Rl2在肋片管管束的沸腾换热系数比光管管束大70%,而R22的大90%

    根据以上分析,蒸发器的结构应该保证制冷剂蒸气能很快地脱离传热表面。为了有效地利用传热面,应将液体制冷剂
节流后产生的蒸气,在进入蒸发器前就从液体中分离出来,而且在操作管理中,蒸发器应该保持合理的制冷剂液体流量

   此外,制冷剂中含油,对沸腾换热系数也有一定影响,而且其影响程度与含油浓度有关。一般说,当制冷剂含油浓度
不大于6%时,可不考虑这项影响,含油量更大时,会使沸腾换热系数降低。